Міцніший за кістки та кевлар: знайдено спосіб перетворити шовк на надміцний матеріал

З давніх-давен шовк славиться своєю міцністю: павуки використовують його для плетіння павутиння, здатного витримувати сильний вітер і навалу комах; шовкопряди загортаються в нього для захисту; а люди тисячі років використовують матеріал для виготовлення одягу, оскільки він неймовірно легкий, гнучкий і міцний, пише Фокус.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

У новому дослідженні команда під керівництвом вчених з Університету Тафтса, Імперського коледжу Лондона та Мічиганського університету знайшла ефективний спосіб перетворити шовк на дещо значно міцніше, ніж тканина. Фактично, новий матеріал може конкурувати з деякими передовими промисловими композитами і навіть наближається до кевлару за міцністю. Ба більше, автори стверджують, що новий матеріал здатен витримувати балістичні удари краще, ніж армовані вуглецевим волокном пластмаси.

Цікаво, що для створення нового матеріалу не потрібні складні синтетичні хімікати або енергоємні виробничі процеси. Замість цього команда розробила простіший спосіб з'єднання натуральних шовкових волокон, зберігши при цьому більшу частину їхньої первісної міцності.

Десятиліттями інженери намагалися використовувати шовк у медицині та електроніці. За словами вчених, білки шовку біосумісні, тобто організм зазвичай добре їх переносить. Це робить матеріал привабливим для імплантатів, відновлення тканин і навіть гнучких електронних пристроїв. Але вчені стикалися з проблемою: більшість сучасних методів обробки розчиняють шовкові волокна в білках і відновлюють їх з нуля. Цей процес вимагає великих обсягів води, хімікатів, енергії та часу, а також послаблює матеріал.

За словами співавтора дослідження, наукового співробітника-професора інженерної школи Тафтса Чунмея Лі, новий метод не вимагає розчинення шовку — насправді вченим необхідно лише вирівняти волокна, застосувавши тепло і тиск.

Автори стверджують, що процес починається з комерційно доступних шовкових волокон, отриманих з коконів молі. На першому етапі вчені видалили серицин — липке зовнішнє покриття, що допомагає комахам будувати кокони. Потім волокна вирівняли і стиснули за допомогою нагріву і тиску.

За словами іншого співавтора дослідження, професора Девіда Каплана, усередині шовкових волокон розташовані дві білкові області: високовпорядкована та кристалічна, що надає шовку міцності; інша — гнучкіша та рухливіша. Разом вони надають шовковим волокнам міцності, жорсткості та гнучкості. Водночас рухома частина дає змогу волокнам зливатися разом під впливом тепла та тиску.

Під час дослідження вченим також вдалося визначити ідеальний діапазон температур обробки від 257 до 419 градусів за Фаренгейтом і тиск від 1900 до 9800 атмосфер. Експерименти також показали, що нижчі температури призводили до отримання більш пухких матеріалів. Занадто висока температура робила шовк крихким.

У результаті сплавлення шовку утворюється шарувата внутрішня структура, що має деяку схожість з деревиною. В обох матеріалах пучки волокон шикуються в одному напрямку і передають напругу по всій структурі. Це надає матеріалу надміцності. Матеріал також витримав випробування на міцність деякими з найміцніших конструкційних пластиків і композитів, що використовуються сьогодні. Балістичні характеристики ударостійкості також виявилися вражаючими.

Вважається, що неймовірна гнучкість матеріалу також може зробити його корисним у медицині: наприклад, тимчасові матеріали, які повільно зникають, цінні в регенерації тканин і регенеративній медицині. Більш довговічні версії можуть підтримувати пошкоджені кістки або суглоби.

Нагадаємо, раніше ми писали про те, що вчені розгадали секрет міцності павукового шовку.

Раніше Фокус писав про те, що китайські вчені отримали нове волокно на основі павутини і шовку: воно в 6 разів міцніше за кевлар.

Під час написання використовували матеріали Nature Sustainability, Earth.com.